体积压裂技术在煤层气开采中的适应性研究

林英松，韩 帅，周 雪，魏晓菲

（中国石油大学〈华东〉石油工程学院，山东青岛266580）

体积压裂技术在煤层气开采中的适应性研究

林英松*，韩 帅，周 雪，魏晓菲

（中国石油大学〈华东〉石油工程学院，山东青岛266580）

体积压裂技术已成功应用于国内外的页岩气开发中，目前国内开始试验性地将此技术应用于煤层气开发中。由于煤岩与页岩特性的不同，研究体积压裂技术在煤层气开采中的适应性，对其在煤层气开采中的应用具有指导意义。从煤岩力学性质、天然裂缝和渗透率3个方面进行了分析研究，得出高杨氏模量、低泊松比、脆性大、天然裂缝发育、低渗的煤层适合进行体积压裂，并对进一步的压裂施工提出建议。

煤岩；体积压裂；缝网；适应性

煤层气是自生自储在由基质和割理系统组成的煤岩中，是以甲烷为主要成分，以吸附在煤基质颗粒表面为主，并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。它是一种高效、清洁、新型的能源[1]。

我国煤层气资源量丰富，埋深浅于2000m的煤层气资源量为36.81×1012m3，居世界第三位。我国煤层气储层由于成煤期后构造破坏强烈，构造煤发育，渗透率普遍偏低，且还有低孔、低压的特点。针对以上问题，要想提高煤层气井产能，煤层气生产井一般需要进行水力压裂，以便形成工业性气流。但是，常规的水力压裂技术仅靠单一压裂主缝很难取得预期的改造效果。因此，有人提出了体积压裂技术。

体积压裂是指在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积,提高初始产量和最终采收率[2]。国外已将此技术成功用于页岩气、致密砂岩气以及页岩油的开发。体积压裂技术也逐渐成为国内非常规油气藏高效开发的重要手段之一。

1 体积压裂形成机理

通过水力压裂对储层实施改造，在形成一条或者多条主裂缝的同时，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，以此类推，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络（图1）。从而将可以进行渗流的有效储层打碎，实现长、宽、高三维方向的全面改造，增大渗流面积及导流能力，提高初始产量和最终采收率[3]。

2 体积压裂技术在煤层气开发中的适应性分析

2.1 煤岩主要特性描述

煤岩是自然界中由植物遗体转变而成的可燃沉积矿物,由有机质和混入的矿物质所组成[4]。对煤岩进行元素分析，可得知，煤中有机物主要由碳、氢、氧和少量氮、硫、磷等元素构成。对煤岩进行显微组分分析，主要包括镜质组、壳质组和惰质组。煤岩的脆性随镜质组含量的增加而增大，并且一般来说，镜质组含量越大，煤的硬度越小[5]。

煤岩的孔隙度一般小于10%，孔隙多为中孔（2～3nm）和微孔（＜2nm）属微毛细管孔隙型，有独特的割理、裂隙体系，且由于煤岩结构的不均质性，裂隙十分发育。煤岩的渗透率比较低，一般在0.3～0.5mD，并且应力敏感性大。与常规砂岩相比较，煤岩的弹性模量较低,泊松比较高,脆性大,易破碎,易受压缩（表1）[6]。

表1 煤岩与常规砂岩力学性质对比表

2.2 煤岩力学性质对体积缝形成的影响

对于页岩储层来说，具有显著的脆性特征是实现体积改造的物质基础。脆性特征采用脆性指数表征，一般采用杨氏模量和泊松比来计算，也有用矿物组分来计算脆性指数的方式。岩石中的脆性矿物质含量越高，脆性指数越大；岩石的综合杨氏模量越大，泊松比越小，脆性指数越大，越容易产生剪切裂缝，进而容易形成缝网。脆性指数越高,页岩的可压性越好。只有当页岩储层脆性特征参数＞40才有可能形成网络裂缝，脆性指数越高越容易形成缝网。根据北美页岩压裂实践经验，给出了岩石脆性与压裂裂缝形态的关系，见表2。

表2 岩石力学脆性与裂缝形态的关系表

实践证明：岩石的脆性物质含量越多，其脆性越大，更能促进岩石的脆性断裂。在体积压裂过程中更易产生剪切破坏，更有利于形成复杂的网状缝，从而提高裂缝体积[7]。

对于页岩，其综合杨氏模量越大，泊松比越小，脆性指数越大，越容易产生剪切裂缝。然而，煤岩的杨氏模量比页岩小一个数量级，跟页岩比较起来，煤岩具有低强度、低杨氏模量、高泊松比的特性。

在这些力学特性的相互作用下，水力压裂裂缝的展布和几何尺寸受到了重要影响。一方面，煤岩强度（特别是抗张强度）低，使得煤岩容易开裂；另一方面，煤岩泊松比较高，使得地层侧向压力增大，导致地层难以裂开。所以，煤岩破裂的难易程度需要通过实际计算才能得出结论。但煤岩的低杨氏模量和高泊松比一定将导致裂缝的长度减小，宽度增大。

煤岩杨氏模量越大，煤体越容易发生脆性断裂，在相同的泵注总液量前提下，越有利于裂缝的延伸，即裂缝的长度越大，相应的，裂缝的宽度随之减小。（图2）因此，压裂煤层时更容易形成短宽裂缝。

表3为不同泊松比下裂缝几何形态分布数据。由表3可知，泊松比对裂缝几何形态有一定影响。随着泊松比的增大，缝长逐渐减小，缝宽逐渐减小，但从总体上看，泊松比的影响程度较小。

煤岩在进行体积压裂时，建议选择杨氏模量高，泊松比低，镜煤组含量高的储层（脆性大），这样容易形成足够长的人工裂缝，同时也有利于天然裂缝的开启，更容易相互沟通形成复杂缝网。

2.3 储层天然裂缝的影响

储层中存在足够的天然裂缝是实现体积改造的前提条件。天然裂缝的抗张、抗剪强度都远远小于基质岩石的抗张、抗剪强度。在体积压裂过程中，天然裂缝先于基质达到抗张或抗剪强度，从而优先开启并且相互连通；注入的压裂液会顺着天然裂缝大量滤失，并且随着流体压力的增加导致更远区域的天然裂缝的开启。同时还能够形成人工水力裂缝，天然裂缝与人工裂缝相互沟通形成复杂的网络裂缝进而增大改造体积。因此天然裂缝发育，同时易于压裂的脆性地层更容易实现体积改造，而塑性较强的地层实现体积改造比较困难。

图2 弹性模量与裂缝几何形态的关系

表3 不同泊松比下裂缝几何形态分布

在煤岩的形成过程中，受到复杂地质因素的影响，煤岩内形成了基质孔隙和裂隙孔隙并存的双重孔隙结构[8]。其中，基质孔隙又称为微孔隙，煤岩的微孔隙及其发育，是煤层气的吸附储集结构单元。而裂隙网络系统是煤层气主要的运移通道。煤岩的裂隙孔隙比较发育，按照肉眼的可见与否，将煤层裂隙分为外生裂隙和内生裂隙；从宏观和微观2个层次上，又可将煤层裂隙划分为宏观裂隙和微观裂隙两大类。煤岩储层天然裂缝发育，在体积压裂过程中，更容易形成复杂缝网结构，这为实现体积压裂改造提供了物质基础。

煤层天然裂隙比较发育，近井筒附近的天然裂隙会造成煤层压裂施工压力的瞬间剧烈变化，从而会引起裂缝宽度的快速变化，容易产生砂堵现象，对压裂施工操作带来很大的难度。对于该类煤层气井建议通过观察施工压力的变化，及时通过调整排量来减小施工压力的剧烈变化。

2.4 储层渗透率的影响

压裂后,裂缝性储层的生产能力主要受控于主裂缝沟通的天然裂缝系统区域，短期产量主要来源于主裂缝，长期产量则主要取决于储层发育的天然裂缝网络。采用大规模压裂正是为了保证形成大范围的网络裂缝[9]。

研究表明，当储层渗透率K≤1mD时，裂缝网络对产能极限贡献率在10%左右；当K≤0.01mD时，裂缝网络对产能极限贡献在40%左右；当K≤0.0001mD时，裂缝网络对产能极限贡献在80%左右[10]。这说明储层渗透率越低,次生裂缝网络在产能贡献中的作用越明显,体积改造效果越好。

我国的煤岩气藏渗透率普遍降低，一般平均在0.3～0.5mD[11]，属于低渗气藏，适合用体积压裂技术进行改造。在进行压裂时，由于煤岩的应力敏感性大，会造成煤层的渗透率急剧上升，从而导致压裂液滤失严重，裂缝发育长度小。为了避免这种情况发生，煤层压裂一般要采用较大的前置液量与较大的施工排量，同时控制砂比。并且采用性能优良的压裂液，进行合理的泵注，避免压裂施工过程中出现泵压过高现象，避免复杂裂缝的扩张，降低压裂液的滤失，并且有利于形成高导流能力的裂缝。

3 结论及建议

（1）通过对煤岩储层的岩石力学特性进行分析，建议在进行体积压裂时，选择杨氏模量高，泊松比低，镜煤组含量高的储层，更容易形成复杂缝网。但是，适合进行体积压裂的煤岩储层的杨氏模量、泊松比和镜煤组含量等的数值范围需要进行进一步的研究确定。

（2）煤岩储层天然裂缝发育，这是进行体积压裂改造的前提。天然裂缝发育容易产生砂堵现象，对压裂施工操作带来很大的难度。建议通过观察施工压力的变化，及时通过调整排量来减小施工压力的剧烈变化。 （3）我国的煤岩气藏渗透率一般平均在0.3～0.5mD，属于低渗气藏，适合用体积压裂技术进行改造。由于煤岩的应力敏感性大，一般要采用较大的前置液量与较大的施工排量，同时控制砂比。并且采用性能优良的压裂液，进行合理的泵注，避免压裂施工过程中出现泵压过高现象，避免复杂裂缝的扩张，降低压裂液的滤失，并且有利于形成高导流能力的裂缝。

[1]戴林.煤层气井水力压裂设计研究[D].长江大学,2012.

[2]陈作,薛承瑾,蒋廷学,等.页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议[J].天然气工业,2010,30(10):30-32.

[3] 王海庆,王勤.体积压裂在超低渗油藏的开发应用[J].中国石油和化工标准与质量,2012（2）:126.

[4] 孟召平,刘翠丽,纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析[J].煤炭学报,2013,38(5).

[5]吕玉民,汤达祯,许浩,等.俄乌哈三大煤盆地煤层气地质及开发潜力对比研究[J].资源与产业,2011（1）:20.

[6] 李同林,乌效鸣,屠厚泽.煤岩力学性质测试分析与应用[J].地质与勘探,2000,3(2):85-88.

[7] 姚中辉,张俊华.体积压裂技术在石油开发中的应用[J].中国新技术新产品,2013(3):173-173.

[8]杜春志.煤层水压致裂理论及应用研究[D].徐州:中国矿业大学,2008.

[9] 胡永全,贾锁刚,赵金洲,等.缝网压裂控制条件研究[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2013,35(4).

[10] Cipolla C,Warpinski N,Mayerhofer M,et al.The relationship between fracture complexity,reservoir properties,and fracture treatment design[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.2008.

[11]薛莉莉.煤层气储层压裂数值模拟技术研究[D].中国石油大学,2009.

TE317

A

1004-5716(2015)04-0059-04

2014-04-11

2014-04-15

林英松（1964-），女（汉族），山东乳山人，教授，博士，研究方向：岩石力学在石油工程中的应用，包括井壁稳定性研究、油田地应力研究、油井出砂机理研究、爆炸压裂研究等。